電子硬件設(shè)計(jì)發(fā)生了一場悄無聲息的革命。隨著硅集成的繼續(xù)進(jìn)行（受摩爾定律的支持），工程師逐漸從主要在組件和電路級別進(jìn)行開發(fā)，轉(zhuǎn)向更多地使用電路板、模塊和子系統(tǒng)。

好處是電子設(shè)計(jì)效率的顯著提高。這種轉(zhuǎn)變現(xiàn)在正在軟件中復(fù)制，開發(fā)人員希望更多地使用可重用模塊，而不是主要依賴于他們自己編寫的代碼行。

轉(zhuǎn)向模塊化設(shè)計(jì)有許多優(yōu)勢。一是通過使用吸引許多客戶的平臺來分享規(guī)模經(jīng)濟(jì)的能力更強(qiáng)。工業(yè)用戶在模塊化硬件方面有著悠久的歷史。Versa Module Eurocard （VME） 和 CompactPCI 標(biāo)準(zhǔn)為在小批量市場工作的集成商和原始設(shè)備制造商 （OEM） 提供了使用高性能計(jì)算的能力。他們可以執(zhí)行更廣泛的計(jì)算機(jī)功能定制，而無需在高端印刷電路板 （PCB） 設(shè)計(jì)上投入時間和精力。從那時起，摩爾定律在功能方面取得了令人難以置信的進(jìn)步，同時還降低了單個部件的成本。Raspberry Pi 單板計(jì)算機(jī)就是一個關(guān)鍵示例。

具有成本效益的現(xiàn)成硬件

通過利用智能手機(jī)片上系統(tǒng) （SoC） 平臺帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，Raspberry Pi 背后的聯(lián)盟能夠提供比最初為教育用途創(chuàng)建的設(shè)計(jì)更有效的產(chǎn)品。硅供應(yīng)商產(chǎn)生的非經(jīng)常性工程 （NRE） 成本很容易被主要目標(biāo)市場吸收，為 Raspberry Pi 的目標(biāo)用戶帶來了更大的價值。這種成本優(yōu)勢傳遞給了工業(yè)部門。集成商和 OEM 已利用 Raspberry Pi 平臺的模塊化優(yōu)勢，使用 HAT 擴(kuò)展總線添加自己的自定義接口模塊。

Pi 模塊的使用使工程團(tuán)隊(duì)不必采購類似的組件并將它們設(shè)計(jì)到定制的 PCB 上。與創(chuàng)建前端 HAT 模塊所需的相比，這些通常需要更耗時的信號完整性和功能檢查。很多時候，這些定制模塊可以使用相對簡單的兩層或四層 PCB。

現(xiàn)成的軟件模塊的出現(xiàn)

類似的模塊化軟件趨勢已經(jīng)出現(xiàn)。工程師現(xiàn)在可以完全專注于可以增加價值的應(yīng)用程序元素。這一趨勢不僅是由規(guī)模經(jīng)濟(jì)和一些供應(yīng)商有效攤銷 NRE 的能力推動的，而且是網(wǎng)絡(luò)集成和服務(wù)驅(qū)動的商業(yè)模式的更大趨勢。嵌入式系統(tǒng)在今天通常是不完整的，除非它構(gòu)成更大的系統(tǒng)系統(tǒng)的一部分，例如物聯(lián)網(wǎng) （IoT）。在這種環(huán)境中，可以使用設(shè)備來幫助提供一項(xiàng)或多項(xiàng)服務(wù)——其中許多服務(wù)將在用于支持它們的硬件的生命周期內(nèi)發(fā)生變化。物聯(lián)網(wǎng)和云的這種結(jié)合正在產(chǎn)生利用這些功能的新商業(yè)模式，例如軟件即服務(wù) （SaaS） 和按使用付費(fèi)。

模塊化始于操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)支持對構(gòu)建靈活的模塊化環(huán)境至關(guān)重要的抽象。通常，操作系統(tǒng)提供一系列服務(wù)，范圍從簡單的輸入/輸出到完整的網(wǎng)絡(luò)堆棧，所有這些服務(wù)都通過一組記錄在案的應(yīng)用程序編程接口 （API） 進(jìn)行訪問。只要服務(wù)繼續(xù)支持 API，交付它們的代碼就可以更改，而不會影響使用這些 API 的應(yīng)用程序。對于隨許多微控制器開發(fā)工具一起提供的簡單實(shí)時調(diào)度程序 FreeRTOS ［1］來說，對于商業(yè)和更復(fù)雜的 RTOS 實(shí)現(xiàn)（例如 Wind River 的 VxWorks ［2］）來說也是如此。 VxWorks 為嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為一些最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備提供動力。

Linux 和其他操作系統(tǒng)可以通過使任務(wù)彼此隔離來使內(nèi)存管理更進(jìn)一步。簡單 RTOS 結(jié)構(gòu)的一個可能問題是它們在完全未分區(qū)的內(nèi)存空間中運(yùn)行。一項(xiàng)任務(wù)中的錯誤或惡意行為可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)和代碼在另一項(xiàng)任務(wù)中被意外覆蓋，從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或其他不良結(jié)果。Linux 使用由硬件內(nèi)存管理單元介導(dǎo)的虛擬尋址來防止任務(wù)訪問彼此的內(nèi)存空間。它們只能通過操作系統(tǒng) API 或建立在這些 API 之上的應(yīng)用程序間協(xié)議進(jìn)行交互。

虛擬內(nèi)存尋址不是任務(wù)隔離的絕對要求。一些微控制器架構(gòu)，包括 Arm Cortex-M 和 Cortex-R 系列的幾個成員，可以在平坦的內(nèi)存空間中實(shí)施內(nèi)存保護(hù)。Arm 還在其許多處理器中提供了 Trustzone 安全軟件模式，這使得將敏感軟件與用戶級任務(wù)隔離成為可能。有了這種保護(hù)，將自定義代碼與為應(yīng)對常見任務(wù)而開發(fā)的越來越多的現(xiàn)成軟件模塊組合起來變得更加容易。

開源和專有功能的集成

如今，工程師可以通過 Github、Sourceforge和其他服務(wù)訪問一系列免費(fèi)的開源軟件模塊和協(xié)議棧。還提供為安全關(guān)鍵應(yīng)用提供更大支持、附加功能或認(rèn)證的商業(yè)堆棧。硅制造商整合的參考設(shè)計(jì)通常會結(jié)合一系列開源和專有功能，以使客戶更容易構(gòu)建原型到完整的產(chǎn)品實(shí)施。在某些情況下，參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個完整的應(yīng)用程序，最終用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行調(diào)整。

一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在利用軟件日益增加的模塊化來構(gòu)建可以調(diào)整參數(shù)并自動生成代碼的開發(fā)環(huán)境。這些工具通常使用開發(fā)人員在圖形用戶界面上組裝的基于塊的軟件表示。一個例子是用于 PIC8、PIC16 和 PIC32 微控制器系列的 Microchip MPLAB 代碼配置器。

高級應(yīng)用程序（例如機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理）是用戶可以從專家的高 NRE 投資中受益的領(lǐng)域的示例，并且可以避免用戶必須從頭開始構(gòu)建此類軟件所需的多年開發(fā)時間。Caffe、PyTorch 和 Google 的 Tensorflow 使構(gòu)建、訓(xùn)練和調(diào)整復(fù)雜的人工智能 （AI） 模型成為可能，這些模型可以輕松集成到嵌入式處理管道中。對于圖像處理，OpenCV 是一個廣泛使用的庫，可以輕松集成到實(shí)時應(yīng)用程序中。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，當(dāng)今越來越普遍的使用模型是 OpenCV 在將圖像數(shù)據(jù)傳遞給使用 Caffe 或 Tensorflow 構(gòu)建的 AI 模型之前對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，自定義代碼主要用于提供對事件的實(shí)時響應(yīng)模型檢測。

把這一切放在一起

開發(fā)人員現(xiàn)在可以訪問面向云的軟件模塊和工具，這些模塊和工具可輕松與常見的網(wǎng)絡(luò)堆棧和 RTOS 實(shí)現(xiàn)集成。這使得不同復(fù)雜程度的嵌入式系統(tǒng)能夠集成到物聯(lián)網(wǎng)中。例如， Avnet 的 IoT Connect? 平臺為人工智能等復(fù)雜任務(wù)提供基于云的處理。由于該系統(tǒng)是由云和嵌入式設(shè)備軟件服務(wù)定義的，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和微軟 Azure 等云提供商現(xiàn)在提供了一系列將兩者結(jié)合在一起的產(chǎn)品：所有這些都利用了他們所使用的軟件組件的模塊化。

模塊化正在改變嵌入式軟件工程師所需的技能。職責(zé)的平衡正在從代碼開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榛陬A(yù)先存在的模塊構(gòu)建靈活架構(gòu)的能力，這些模塊允許在部署新服務(wù)時輕松進(jìn)行自定義編碼和運(yùn)行時配置。通過利用這種模塊化，原始設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商可以輕松滿足客戶的需求，而這在傳統(tǒng)方式中是無法想象的。

審核編輯：郭婷